JP6725435B2 - 構造物の表面改質方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子が照射される環境に存在する構造物の表面改質方法に関する。

原子力プラントは、プラント機器の金属材料の健全性を長期間維持しながら運転する必要があるため、プラント機器の金属材料として、強度及び耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼等が用いられる。特に、プラント機器としての原子炉内構造物は、長時間の中性子照射と高温高圧水に曝されるため非常に過酷な環境下にある。このため、原子炉内構造物では、照射誘起偏析による結晶粒の粒界でのＣｒ濃度の低下と、照射欠陥が粒界に集中することによる照射脆化とに起因して、照射誘起応力腐食割れが発生する懸念がある。照射欠陥のシンクである粒界を増加させ、また、照射誘起偏析による粒界でのＣｒ欠乏を抑制し、これにより、耐照射誘起応力腐食割れ性を向上させる方法として、金属材料の結晶粒微細化技術が挙げられる。

原子炉プラントにおける原子炉内構造物の結晶粒微細化方法としては、従来から様々な技術が公開されており(特許文献１〜４)、その工程は主に、原子炉内構造物を構成する金属材料に強加工を付与する強加工工程と、強加工が付与された金属材料を加熱する加熱工程と、加熱の後に冷却を行う冷却工程とがある。

また、従来の原子炉内構造物の表面のみに結晶粒の微細化層を導入する手法がある(特許文献５及び６)。この手法は、組み立て後の構造物に対して適用可能であり、溶接による結晶粒の粗大化回避が可能になる。

特開２００６−２３３２９２号公報 特許第４８４３２３０号公報 特開２００５−１７１２７８号公報 特開２０１０−１７４３０８号公報 特開２００５−２６５４４９号公報 特開２００６−２８３０４３号公報

ところが、上述の特許文献１〜６における従来の原子力プラントの原子炉内構造物に対する結晶粒微細化技術では、加熱工程における昇温速度、冷却工程における降温速度と鋭敏化(即ち、結晶粒の粒界近傍におけるＣｒ欠乏層の生成)との関係について記載されておらず、従って、耐照射誘起応力腐食割れ性の十分な向上を期待できない。

また、特許文献１〜６における結晶粒微細化技術は、結晶粒の微細化方法のみを記載しており、具体的な実機施工を想定した原子炉内構造物への施工について開示されていない。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、金属材料にて構成された構造物の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上できる構造物の表面改質方法を提供することにある。

本発明に係る構造物の表面改質方法は、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、またはニッケル基合金である金属材料にて構成された構造物の表面に、塑性変形を伴う加工を施す表面加工工程と、前記表面加工工程により加工された被加工面に、前記金属材料の鋭敏化を回避する１℃／秒以上の昇温速度で加熱を行う加熱工程と、前記加熱工程により加熱された被加熱面に、前記金属材料の鋭敏化を回避する１℃／秒以上の降温速度で冷却を行う冷却工程と、を順次実施することで、前記構造物の前記表面から少なくとも１００μｍの深さ領域に結晶粒の粒径が５μｍ以下の微細化層を形成する構造物の表面改質方法であって、前記冷却工程は、前記加熱工程により加熱された被加熱面に、冷却ヘッドを用いて冷却を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、構造物の表面から少なくとも１００μｍの深さ領域に結晶粒の微細化層が形成されることで、結晶粒の粒界が増加する。これにより、照射欠陥のシンクが増加して粒界の照射脆化を抑制でき、更に、照射誘起偏析による粒界でのＣｒ欠乏を抑制できる。これらのことから、構造物の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上できる。また、加熱工程では金属材料の鋭敏化を回避する昇温速度で加熱が、冷却工程では金属材料の鋭敏化を回避する降温速度で冷却がそれぞれ行われるので、これらの加熱及び冷却が行われた構造物の表面の結晶粒の粒界近傍にＣｒ欠乏層の生成を抑制できる。このことからも、構造物の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上できる。

本発明に係る構造物の表面改質方法の一実施形態を示す工程図。 図１の表面加工工程（ショットピーニング加工）の施行状況を示す斜視図。 図１及び図２の施行対象であるシュラウドを備える沸騰水型原子炉を示す概略縦断面図。 図３のシュラウド、上部格子板、炉心支持板を一部切り欠いて示す斜視図。 図１及び図２の表面加工工程がレーザピーニング加工により実施される例を示す概略構成図。 図１及び図２の表面加工工程がウォータジェットピーニング加工により実施される例を示す概略構成図。 図１及び図２の表面加工工程がハンマリング加工により実施される例を示す概略構成図。 図１及び図２の表面加工工程が切削加工により実施される例を示す概略構成図。 図１及び図２の表面加工工程がグラインダ加工により実施される例を示す概略構成図。 図１の加熱工程がレーザ照射加熱により実施される例を示す概略構成図。 図１の加熱工程が赤外線加熱により実施される例を示す概略構成図。 図１の加熱工程が高周波誘導加熱により実施される例を示す概略構成図。 図１の加熱工程が燃焼ガス放射加熱により実施される例を示す概略構成図。 図１の加熱工程で用いられる、オーステナイト系ステンレス鋼の鋭敏化を規定するＴＴＳ曲線を示すグラフ。 図１０の加熱ヘッド（レーザヘッド）による加熱領域の形状と、この加熱ヘッドによる加熱分布とを示し、加熱領域が円形状（Ａ）、矩形状（Ｂ）、Ｖ字形状（Ｃ）のそれぞれの場合を示す説明図。 （Ａ）は、図１の表面加工工程、加熱工程及び冷却工程を経て表面の結晶粒が微細化されたオーステナイト系ステンレス鋼に対しイオン照射を実施した後の顕微鏡写真、（Ｂ）は、図１６（Ａ）の写真においてＣｒ原子の組成分布を表した顕微鏡写真。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る構造物の表面改質方法の一実施形態を示す工程図である。また、図２は、図１の表面加工工程（ショットピーニング加工）の施行状況を示す斜視図である。本実施形態の構造物の表面改質方法１０は、例えば溶接工程を経て形成された構造物、本実施形態では図３に示す沸騰水型原子炉１１の原子炉構造物（原子炉圧力容器１２、及びこの原子炉圧力容器１２内に収容される原子炉内構造物）における表面の結晶を微細化して、その構造物の表面を改質し、これにより、構造物の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上させるものである。この実施形態では、上述の原子炉内構造物のうち、シュラウド１４の表面の結晶粒を微細化する場合について述べる。

ここで、沸騰水型原子炉１１は、図３に示すように、原子炉圧力容器１２内に炉心１３を収容するシュラウド１４が配置され、炉心１３が燃料集合体１５を有して構成される。燃料集合体１５を支持するため、シュラウド１４の上部には上部格子板１６が配置され、下部には炉心支持板１７が配置される。燃料集合体１５の出力を制御するために制御棒１８が、制御棒駆動機構１９にて炉心１３に挿脱される構成となっている。

また、原子炉圧力容器１２には、燃料集合体１５の熱で蒸発した蒸気をタービン（図示せず）へ導く蒸気出口２１、及び原子炉圧力容器１２内に給水を導く給水入口２２、原子炉圧力容器１２内の駆動水となる再循環水を再循環系（図示せず）へ導く再循環水出口２３、原子炉圧力容器１２内の駆動水となる再循環水を再循環系から導入する再循環水入口２４が配置されている。

前述の原子炉内構造物は、シュラウド１４、上部格子板１６、炉心支持板１７、及び炉心１３の上方に順次配置された気水分離器２５、蒸気乾燥器２６等を有する。この原子炉内構造物は、原子炉圧力容器１２と同様に、強度及び耐食性等の観点からオーステナイト系ステンレス鋼にて構成されている。

図３に示すシュラウド１４は、図４に示すように、上部から上部リング２７、上部胴２８、中間部リング２９、中間部胴３０、下部リング３１、下部胴３２によって構成されており、それぞれが溶接により接合される。溶接線の代表例として、中間部胴３０の周方向の溶接線３３を図４に破線で示す。上部格子板１６は中間部リング２９の上に、炉心支持板１７は下部リング３１の上に位置する。この場合、シュラウド１４、上部格子板１６、炉心支持板１７は燃料集合体１５を支持する役割を持ち、これらにき裂等が入り損傷すると、原子力プラントの長期健全性の維持が困難になる。また、これらのシュラウド１４、上部格子板１６及び炉心支持板１７は、炉心１３に比較的近い場所にあるため、長期間に渡って中性子の影響を受け易い。

さて、図１に示す構造物の表面改質方法１０は、金属材料で構成された施行対象３５としての構造物（例えば、沸騰水型原子炉１１におけるオーステナイト系ステンレス鋼で構成されたシュラウド１４）の表面に表面加工工程と、加熱工程と、冷却工程とを順次実施することで、施行対象３５としての構造物（例えばシュラウド１４）の表面から少なくとも１００μｍの深さ領域に結晶粒の微細化層３４を形成するものである。

表面加工工程は、施行対象３５としての構造物（例えばシュラウド１４）の表面に、加工ヘッド３６を用いて塑性変形を伴う強加工を行う。また、加熱工程は、表面加工工程により加工された被加工面に、加熱ヘッド３７を用いて、オーステナイト系ステンレス鋼の鋭敏化（後述）を回避する昇温速度で加熱を行う。更に、冷却工程は、加熱工程により加熱された被加熱面に、冷却ヘッド３８を用いて、オーステナイト系ステンレス鋼の鋭敏化（後述）を回避する降温速度で冷却を行う。

上述の表面加工工程は、ピーニング加工、機械加工からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程である。このうち、ピーニング加工は、ショットピーニング加工、レーザピーニング加工、ウォータジェットピーニング加工からなる群より選ばれる少なくとも１種である。ショットピーニング加工は、図１に示すように、加工ヘッド３６としてのショットピーニングヘッド３９から投射材（ショット）４０を構造物（例えばシュラウド１４）の表面に投射させ、その衝撃で構造物（例えばシュラウド１４）の表面に強加工歪（塑性歪）を付与するものである。投射材４０としては鋼球、またはこの鋼球と同程度の硬度を備えた小球が用いられる。

このショットピーニング加工は複数回、例えば２回実施され、各回で球径の異なる投射材４０が用いられることが好ましい。つまり、構造物の表面改質方法１０では、表面加工工程において構造物（例えばシュラウド１４）の表面に付与された塑性歪量が大きい(高い)ほど、結晶粒は微細化される。一般に、ショットビーニング加工では、塑性歪は、投射材４０の球径が大きいほど、施工対象３５の施行面から内部まで深く付与され、投射材４０の球径が小さいほど、施行対象３５の施行面付近に付与される。従って、最初の回で球径の大きな投射材４０を投射させた後、次の回で球径の小さな投射材４０を投射する。

これにより、両球径の投射材４０が付与する塑性歪の分布特性が組み合わされることで、施工対象３５である構造物（例えばシュラウド１４）の表面から内部まで深く塑性歪が付与され、且つ構造物（例えばシュラウド１４）の表面部に大きな（高い）塑性歪が付与される。

また、上述のショットピーニング加工を含むピーニング加工では、ピーニングヘッドは、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に対して一定の間隔を保持しながら、一定速度で移動（走査）するように構成されている。図２には、シュラウド１４の中間部胴３０における周方向の溶接線３３近傍を、ショットピーニングヘッド３９を用いて表面加工する場合を示す。この場合、シュラウド１４の周方向に沿ってシュラウド１４の表面と一定の間隔を保持するようにレール４１が設置され、このレール４１上をショットピーニングヘッド３９が一定速度で矢印Ａ方向に移動（走査）することで、シュラウド１４の表面に付与される塑性歪量が、シュラウド１４の周方向において均一化される。

レール４１上を移動（走査）するショットピーニングヘッド３９の移動（走査）速度は、施工面の全面に投射材４０が投射される１００％カバレージ以上となり、更に、施工面におけるアークハイト値（塑性歪量）が飽和するのに十分な時間だけ投射材４０が投射されるような速度に設定される。これにより、シュラウド１４の周方向に均一且つ十分な塑性歪を付与することが可能になる。

なお、レール４１上を加工ヘッド３６（ショットピーニングヘッド３９を含むピーニングヘッド）が移動（走査）した後に、この移動方向に垂直な方向にレール４１を位置調整し、その後、このレール４１に沿って加工ヘッド３６（ショットピーニングヘッド３９を含むピーニングヘッド）を再び移動（走査）させてもよい。これにより、加工ヘッド３６（ショットピーニングヘッド３９を含むピーニングヘッド）によって、構造物（例えばシュラウド１４）の全表面に均一な塑性歪を付与することが可能になる。また、上記レール４１に代えて他の手段、例えばロボットアームや手動により、加工ヘッド３６（ショットピーニヘッド３９を含むピーニングヘッド）を構造物（例えばシュラウド１４）の周方向に移動させてもよい。

ここで、ショットピーニング加工以外のピーニング加工（レーザピーニング加工、ウォータジェットピーニング加工及び機械加工）について述べる。

レーザピーニング加工は、図５に示すように、加工ヘッド３６（ピーニングヘッド）としてのレーザピーニングヘッド４４、レンズ４５、レーザ発振器４６、給水器４７を有して構成される。レーザ発振器４６にて発振されたパルスレーザ４９が、水膜４８で覆われた構造物（シュラウド１４）にレンズ４５で集光されて照射され、構造物（シュラウド１４）の表面に発生したプラズマ５０による衝撃波が、構造物（シュラウド１４）の表面加工を行う。

ウォータジェットピーニング加工は、図６に示すように、加工ヘッド３６（ピーニングヘッド）としてのウォータジェットピーニングヘッド５１、ポンプ５２を有して構成される。ウォータジェットピーニングヘッド５１から水５３中の構造物（シュラウド１４）に対して、ポンプ５２で加圧された高圧水を噴射し、発生したキャビテーション５４の崩壊圧力を利用して構造物（シュラウド１４）に表面加工を行う。

機械加工は、ハンマリング加工、切削加工、グラインダ加工からなる群より選ばれる少なくとも１種である。このうちのハンマリング加工は、図７に示すように、加工ヘッド３６としてのハンマー５５、アクチュエータ５６及び制御電源５７を有して構成される。制御電源５７がアクチュエータ５６に高周波の電磁力を発生させ、この電磁力によってハンマー５５が高周波で振動することで、ハンマー５５の先端部が構造物（シュラウド１４）の表面に打撃を与えて表面加工を行う。

切削加工は、図８に示すように、加工ヘッド３６としてのカッター５８、主軸５９及び回転装置６０を有して構成される。回転装置６０が主軸５９を回転させ、それに伴いカッター５８が、回転しつつ構造物（シュラウド１４）に押し当てられることで、切粉６１を出しながら構造物（シュラウド１４）に表面加工を行う。また、グラインダ加工は、図９に示すように、加工ヘッド３６としての砥石６２、回転装置６３を有して構成される。回転装置６３が砥石６２を回転させつつ構造物（シュラウド１４）に押し当てることで、この構造物（シュラウド１４）に表面加工を行う。

図１に示す加熱工程は、表面加工工程により構造物（例えばシュラウド１４）の表面に塑性歪を生じさせた後に加熱することで、塑性歪の高い箇所を核として結晶粒を成長させ、微細な結晶粒を生成する工程である。そして、この加熱工程は、生成した微細な結晶粒が結合して再結晶化し、粗大な結晶粒になる前に終了して、冷却工程に移行する。この加熱工程で生成された微細な結晶粒の粒径は、結晶粒の粒界を増加させて、構造物の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上させる観点から５μｍ以下が好ましい。

この加熱工程は、レーザ照射加熱（図１０）、赤外線加熱（図１１）、高周波誘導加熱（図１２）、燃焼ガス放射加熱（図１３）からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程である。

レーザ照射加熱は、図１０に示すように、レーザ熱源６５、導光部６６、加熱ヘッド３７としてのレーザヘッド６７、温度モニタ６８を有して構成される。レーザヘッド６７を構造物（シュラウド１４）に対して移動させ、温度モニタ６８で構造物（シュラウド１４）の表面温度を監視しながら熱処理を行う。赤外線加熱は、図１１に示すように、加熱ヘッド３７としての赤外線加熱ランプ７０、温度コントローラ７１、温度モニタ７２及び電源７３を有して構成される。赤外線加熱ランプ７０を構造物（シュラウド１４）に対して移動させ、温度モニタ７２で構造物（シュラウド１４）の表面温度を監視しながら熱処理を行う。

高周波誘導加熱は、図１２に示すように、高周波電源７４、冷却器７５、高周波変流器７６、加熱ヘッド３７としての加熱コイル７７、温度モニタ７８を有して構成される。構造物（シュラウド１４）の周辺に、加熱コイル７７を設置して移動させ、温度モニタ７８で構造物（シュラウド１４）の表面温度を監視しながら熱処理を行う。燃焼ガス放射加熱は、図１３に示すように、加熱ヘッド３７としての燃焼ガス放射ヘッド７９、酸素ボンベ８０、燃料ボンベ８１を有して構成される。燃焼ガス放射ヘッド７９から構造物（シュラウド１４）に対して燃焼ガス８２を放射しながら、この燃焼ガス放射ヘッド７９を移動させることで熱処理を行う。

上述の加熱工程では、昇温速度は、構造物を構成する金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の鋭敏化を回避する速度で実施される。例えばオーステナイト系ステンレス鋼は、６００℃〜８００℃近傍である一定時間保持されると、オーステナイト系ステンレス鋼中のＣｒ原子とＣ原子とが結合したＣｒ炭化物が結晶の粒界近傍に析出し、この粒界近傍にＣｒ欠乏層が生成される。この現象を金属材料（オーステナイト系ステンレス鋼）の鋭敏化と称する。このＣｒ欠乏層により金属材料（オーステナイト系ステンレス鋼）の粒界の耐食性が低下することで、照射誘起応力腐食割れが生じ易くなる。

図１４は、オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる炭素量、加熱時間及び加熱温度に基づいて鋭敏化の可能性を推測するために作成された恒温鋭敏化曲線（ＴＴＳ（time-temperature-sensitization）曲線）Ｐを示すグラフである。加熱工程における昇温速度は、Ｘ２の場合には、ＴＴＳ曲線Ｐに囲まれた鋭敏化領域に至るため、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界にＣｒ欠乏層が生成される。これに対し、加熱工程における昇温速度がＸ１の場合には、ＴＴＳ曲線Ｐに囲まれた鋭敏化領域から外れるため、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界にＣｒ欠乏層の生成が防止される。この昇温速度Ｘ１は、例えば１℃／秒以上が好ましい。なお、上述のように加熱工程における昇温速度を１℃／秒以上と速くすることで、金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の結晶粒の粗大化を回避できる利点もある。

また、図１に示す加熱工程では、図２に示す加工ヘッド３６（ショットピーニングヘッド３９）を加熱ヘッド３７に置き換え、この加熱ヘッド３７をレール４１上で、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に対して一定の間隔を保持しながら一定速度で移動（走査）させて、構造物（例えばシュラウド１４）の表面を加熱する。これにより、構造物（例えばシュラウド１４）の表面において加熱ヘッド３７が走査した走査領域における加熱量が均一化されて同等の熱履歴となる。また、加熱ヘッド３７の移動（走査）速度は、構造物（例えばシュラウド１４）の表面が高温で長時間保持されると微細な結晶粒が結合して粗大化するため、この粗大化が発生しない速度に設定される。

なお、レール４１は、加熱ヘッド３７の移動（走査）方向に垂直な方向に位置調整可能に構成されて、加熱ヘッド３７により構造物の表面全域を加熱し得るように構成されてもよい。また、レール４１に代えてロボットアームや手動操作によって、加熱ヘッド３７を構造物の表面に対して一定間隔を保持しながら一定速度で移動（走査）させてもよい。

図１に示す加熱工程では、加熱ヘッド３７による加熱領域は、加熱ヘッド３７の移動（走査）方向に垂直な加熱領域の幅方向における加熱量が一定になるように設定される。図１５は、加熱ヘッド３７がレーザ照射加熱(図１０)のレーザヘッド６７の場合であり、このレーザヘッド６７が構造物（例えばシュラウド１４）の表面に対して一定の間隔を保持しながら一定速度で移動（走査）したときの、レーザヘッド６７による加熱領域８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃと、この加熱領域８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃによる構造物（例えばシュラウド１４）への加熱分布８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃとを示す。

円形状の加熱領域８３Ａでは、レーザヘッド６７の移動（走査）方向Ａに垂直な加熱領域８３Ａの幅方向Ｂにおいて、両端側の加熱量が少なく、加熱量に偏りを生じた加熱分布８４Ａを呈する。これに対し、矩形状の加熱領域８３ＢやＶ字形状の加熱領域８３Ｃでは、レーザヘッド６７の移動（走査）方向Ａに垂直な加熱領域８３Ｂ、８３Ｃの幅方向Ｂにおいて、加熱量が一定な加熱分布８４Ｂ、８４Ｃを呈する。従って、構造物（例えばシュラウド１４）の表面への加熱量が一定な加熱分布８４Ｂ、８４Ｃを与える矩形形状の加熱領域８３Ｂ、Ｖ字形状の加熱領域８３Ｃを採用することで、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に結晶粒の均一な微細化層を形成することが可能になる。

レーザ照射加熱(図１０)のレーザヘッド６７は、半導体素子の調整によって均一な加熱分布８４Ｂ、８４Ｃを与える矩形状の加熱領域８３Ｂ、Ｖ字形状の加熱領域８３Ｃを設定することが可能である。また、赤外線加熱(図１１)や燃焼ガス放射加熱(図１３)の場合には、構造体（例えばシュラウド１４）の表面の被加熱面、または赤外線加熱ランプ７０や燃焼ガス放射ヘッド７９に対してマスキングを施すことで、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に矩形状の加熱領域８３Ｂ、Ｖ字形状の加熱領域８３Ｃを設定することが可能になる。

図１に示す冷却工程は、加熱工程で生成された微細な結晶粒が互いに結合して粗大化することを阻止するために実施される。この冷却工程は水冷、油冷、ガス冷、空冷からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程である。ここで、水冷は、冷媒として水が用いられる。また油冷は、冷媒として油が用いられる。またガス冷は、冷媒として噴射されたガス（例えば不活性ガスや空気）が用いられる。空冷は、冷媒として静止状態の空気が用いられる。

この冷却工程は、構造物（例えばシュラウド１４）の熱容量や、施工環境、冷媒の回収のし易さなどにより適宜選択される。このうち、水冷は、冷媒としての水により高い降温速度が得られ、冷媒自体も入手し易く、回収も容易であるから最も望ましい。但し、加熱工程が高温且つ短時間に実施された場合には、構造物（例えばシュラウド１４）の表面から内側に熱が伝導されにくいため、空冷で十分な場合がある。

また、冷却工程における降温速度は、構造物を構成する金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の鋭敏化を回避する速度で実施される。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒の粒界近傍においてＣｒ欠乏層の生成（即ち鋭敏化）を推測するために作成された図１４のＴＴＳ曲線Ｐにおいて、降温速度がＹ２の場合には、この降温速度Ｙ２が、ＴＴＳ曲線Ｐに囲まれた鋭敏化領域に至るため、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界にＣｒ欠乏層が生成される。

これに対し、降温速度がＹ１の場合には、この降温速度Ｙ１がＴＴＳ曲線Ｐに囲まれた鋭敏化領域から外れるため、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界にＣｒ欠乏層の生成が防止される。この降温速度Ｙ１は、加熱工程での昇温速度Ｘ１と同様に１℃／秒以上が好ましい。なお、上述のように冷却工程における降温速度が１℃／秒以上の高速であるため、構造物の金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の結晶粒の粗大化を回避できる利点もある。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）図１に示す表面加工工程、加熱工程、冷却工程を順次実施することによって、構造物（例えばシュラウド１４）の表面から少なくとも１００μｍの深さ領域に結晶粒の微細化層３４が形成されることで、結晶粒の粒界が増加する。これにより、照射欠陥のシンクが増加して中性子照射によっても粒界の照射脆化を抑制でき、更に、中性子照射に起因した照射誘起偏析による粒界でのＣｒ欠乏を抑制できる。これらのことから、構造物（例えばシュラウド１４）の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上させることができる。

図１６（Ａ）は、本実施形態の表面加工工程、加熱工程、冷却工程を順次実施することで、結晶粒が微細化されたオーステナイト系ステンレス鋼に、中性子照射を模擬したイオン照射を実施したときの顕微鏡写真を示し、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）で示されたオーステナイト系ステンレス鋼の結晶におけるＣｒ組成分布を表す顕微鏡写真を示す。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼では、中性子照射またはイオン照射に起因した照射誘起偏析によって、結晶粒８５の粒界８６にＣｒ欠乏が生ずることが知られている。

本実施形態では、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、粒界８６を含めた結晶粒８５の全体にわたってＣｒ原子が均一に分布され、粒界８６にＣｒ欠乏が発生していないことが判る。このため、本実施形態の表面加工、加熱工程、冷却工程を順次実施して表面の結晶が微細化されたオーステナイト系ステンレス鋼は、耐照射誘起応力腐食割れ性の向上が望める。

（２）図１及び図１４に示すように、加熱工程では金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の鋭敏化を回避する昇温速度（例えば昇温速度Ｘ１）で加熱が、冷却工程では金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）の鋭敏化を回避する降温速度（例えば降温速度Ｙ１）で冷却がそれぞれ行われる。このため、これらの加熱及び冷却が行われた構造物（例えばシュラウド１４）の表面の結晶粒の粒界近傍にＣｒ欠乏層の生成を抑制できる。このことからも、構造物（例えばシュラウド１４）の耐照射誘起応力腐食割れ性を向上させることができる。

（３）図２に示すように、表面加工工程におけるピーニング加工で使用されるピーニングヘッド（ショットピーニングヘッド３９、レーザピーニングヘッド４４、ウォータジェットピーニングヘッド５１）と、加熱工程で使用される加熱ヘッド３７（レーザヘッド６７、赤外線加熱ランプ７０、加熱コイル７７、燃焼ガス放射ヘッド７９）は、例えばレール４１等を用いることで、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に対して一定の間隔を保持しながら、一定速度で移動（走査）する。これにより、表面加工工程における塑性歪量、及び加熱工程における加熱量を、構造物（例えばシュラウド１４）の表面においてそれぞれ均一化できるので、この表面の結晶粒の微細化を容易な施工方法によって実現できる。

（４）図１及び図１５に示すように、加熱ヘッド３７による加熱領域は、矩形状の加熱領域８３Ｂ及びＶ字形状の加熱領域８３Ｃに示すように、加熱ヘッド３７の移動（走査）方向Ａに垂直な加熱領域の幅方向Ｂにおいて加熱量が一定になるように設定されている。このため、構造物（例えばシュラウド１４）の表面に、結晶粒の均一な微細化層を形成できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、本実施形態では、構造物がオーステナイト系ステンレス鋼で構成されるものを述べたが、ニッケル基合金やマルテンサイト系ステンレス鋼などで構成された構造物においても本発明を適用できる。また、本実施形態では、構造物が原子力プラントの原子炉構造物の場合を述べたが、宇宙空間に存在または宇宙空間を飛行する宇宙船等の構造物であってもよい。

１０…表面改質方法、１１…沸騰水型原子炉、１４…シュラウド（構造物）３４…微細化層、３６…加工ヘッド、３７…加熱ヘッド、３９…ショットピーニングヘッド、４０…投射材、４１…レール、４４…レーザピーニングヘッド、５１…ウォータジェットピーニングヘッド、６７…レーザヘッド、７０…赤外線加熱ランプ、７７…加熱コイル、７９…燃焼ガス放射ヘッド、８３Ｂ、８３Ｃ…加熱領域、８４Ｂ、８４Ｃ…加熱分布、Ａ…移動(走査)方向、Ｂ…幅方向、Ｐ…ＴＴＳ曲線、Ｘ１…昇温速度、Ｙ１…降温速度。

Claims (10)

1. オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、またはニッケル基合金である金属材料にて構成された構造物の表面に、塑性変形を伴う加工を施す表面加工工程と、
   前記表面加工工程により加工された被加工面に、前記金属材料の鋭敏化を回避する１℃／秒以上の昇温速度で加熱を行う加熱工程と、
   前記加熱工程により加熱された被加熱面に、前記金属材料の鋭敏化を回避する１℃／秒以上の降温速度で冷却を行う冷却工程と、を順次実施することで、
   前記構造物の前記表面から少なくとも１００μｍの深さ領域に結晶粒の粒径が５μｍ以下の微細化層を形成する構造物の表面改質方法であって、前記冷却工程は、前記加熱工程により加熱された被加熱面に、冷却ヘッドを用いて冷却を行うことを特徴とする構造物の表面改質方法。
2. 前記表面加工工程は、ピーニング加工、機械加工からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の構造物の表面改質方法。
3. 前記ピーニング加工は、ショットピーニング加工、レーザピーニング加工、ウォータジェットピーニング加工からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程であることを特徴とする請求項２に記載の構造物の表面改質方法。
4. 前記ピーニング加工で使用されるピーニングヘッドは、構造物の表面に対して一定の間隔を保持しながら、一定速度で移動することを特徴とする請求項２または３に記載の構造物の表面改質方法。
5. 前記ショットピーニング加工は複数回実施され、各回で粒径の異なる投射材を用いることを特徴とする請求項３に記載の構造物の表面改質方法。
6. 前記機械加工は、ハンマリング加工、切削加工、グラインダ加工からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の構造物の表面改質方法。
7. 前記加熱工程は、レーザ照射加熱、赤外線加熱、高周波誘導加熱、燃焼ガス照射加熱からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程であることを特徴とする請求項１に記載の構造物の表面改質方法。
8. 前記加熱工程で使用される加熱ヘッドは、構造物の表面に対して一定の間隔を保持しながら、一定速度で移動することを特徴とする請求項７に記載の構造物の表面改質方法。
9. 前記加熱工程では、加熱ヘッドによる加熱領域は、前記加熱ヘッドの移動方向に垂直な前記加熱領域の幅方向における加熱量が一定になることを特徴とする請求項８に記載の構造物の表面改質方法。
10. 前記冷却工程は、水冷、油冷、ガス冷、空冷からなる群より選ばれる少なくとも１種を実施する工程であることを特徴とする請求項１に記載の構造物の表面改質方法。